1 서 론
현대전에서 전투 장비의 성능 개선을 위해 장갑재의 중 요성이 크게 인식되면서 기동력, 화력을 대표하는 장갑 차량의 생존성에 직접적인 영향을 미치는 방탄 성능을 향상시키기 위한 연구가 꾸준히 진행되고 있다. 일반적 으로 장갑재의 방탄 성능은 소재의 경도에 크게 의존하 는 것으로 알려져 있는데 현재 사용되고 있는 여러 장 갑재들 중 철계 장갑재는 높은 경도와 방탄 성능, 저렴 한 가격, 용접성 등의 장점으로 인해 다양한 분야에서 널리 사용되고 있다.1-4)
한편 장갑재의 높은 경도는 첫 타격(one-shot)에 대한 방호력을 높여주고, 적절한 충격 흡수에너지는 연발 타 격(multi-shot)에 대한 방호력을 증가시키기 때문에 높은 경도와 충격 흡수에너지를 동시에 갖는 소재에 대한 관 심이 최근 커지고 있다.5-7) 철계 장갑재의 경도와 인성 은 대체로 탄소 함량과 합금 원소, 열처리 방법에 따른 미세조직의 영향을 크게 받는다. 실제로 고경도의 철계 장갑재를 확보하기 위해 탄소 함량을 증가시키면 인성 이 크게 감소하기 때문에 적절한 탄소 함량과 합금 원 소, 급랭(quenching) 또는 템퍼링(tempering)을 통해 우 수한 경도와 충격 흡수에너지의 조합을 갖도록 제조하 는 것이 중요하다.8,9)
이와 같이 장갑재는 물성 구현을 위해 용해, 열처리, 압연 및 단조 등의 다양한 제조 공정을 거치지만, 제조 사별로 합금 원소와 제조 공정이 다르기 때문에 직접적 인 소재 비교에 어려움이 있다. 또한 미세조직과 기계 적 특성 변화의 상관관계에 대한 연구가 부족하여 기존 의 소재보다 물성이 향상된 소재를 개발하는데 한계가 있는 실정이다. 따라서 본 연구에서는 높은 경도를 갖 는 대표적인 철계 장갑재 4종에 대하여 템퍼링 온도에 따른 미세조직 변화를 관찰하고, 경도, 인장, 충격 시험 을 실시하여 기계적 특성을 비교한 후 미세조직과의 상 관관계를 고찰하였다.
2 실험 방법
본 연구에서 사용된 철계 장갑재는 SSAB사에서 생산 된 A와 B 강, ArcelorMittal사에서 생산된 C와 D 강으 로 이들의 자세한 화학조성을 Table 1에 나타내었다.8,9) 화학조성을 자세히 살펴보면, 모든 강들은 Ni이 약 1~2 wt%, Mo이 0.3~0.4 wt% 정도 첨가되어 있으며, A와 B 강은 C와 D 강에 비해 Cr과 Mn 함량이 상대적으로 높 지만, Si 함량이 다소 낮다. 그 외 C 강을 제외하고, 경 화능 향상을 위해 10 ppm 이상의 B이 첨가되어 있으 며, A 강의 경우 가장 낮은 C와 Ni 함량을 가지는 것 으로 확인되었다.
템퍼링 온도에 따른 경도를 비교하기 위해 강들을 900 °C의 온도에서 각각 15분간 재가열한 후 급랭하 고, 200 °C ~ 600 °C의 온도에서 30분간 템퍼링을 실시하 였다. 열처리 전후 미세조직은 판재의 옆면(longitudinalshort transverse plane)을 기계적으로 연마하고, 3 % 나 이탈 용액으로 에칭한 후 광학현미경(OM, optical microscope, BA310met, MOTIC, China) 및 주사전자현미경 (SEM, scanning electron microscope, AIS1800C, SERON, Korea)으로 관찰하였다. 또한 템퍼링 시 형성될 수 있는 석출물들을 관찰하기 위하여 투과전자현미경(TEM, trans mission electron microscopy, JEM-2100F, JEOL, Japan) 분석을 실시하였는데, 이들 시편은 10 % 과염소산 + 90 % 에탄올 전해액에서 −10 °C로 유지하고 twin-jet 법을 이 용하여 제작한 후 200 kV의 가속전압 하에서 TEM으로 관찰하였다.
경도는 마이크로 비커스 경도계(FM-800, Future-tech, Japan)를 이용하여 500 gf의 하중 하에서 측정한 후 브 리넬 경도로 환산하였다. 인장 시험은 ASTM E8의 표 준 시험법에 따라 압연 방향(rolling direction)으로 표점 거리 25 mm, 직경 6 mm의 sub-size 판상 형태 인장 시 편을 가공하고, 10톤 용량의 만능시험기(Instron8801, INSTRON, USA)를 사용하여 10−3/s의 변형률 속도로 상 온에서 실시하였다. 충격 시험은 ASTM E23의 표준 시 험법에 따라 L-T(longitudinal-transverse)와 T-L(transverselongitudinal) 방향으로 10 × 10 × 55 mm 크기의 표준 샤 르피 충격 시편을 가공한 후 750 J 용량의 충격시험기 (PSW 750, ZwickRoell, Germany)를 사용하여 상온(25 °C)과 저온(−40 °C)에서 실시하였다.
3 실험 결과 및 고찰
3.1 미세조직과 인장 및 충격 특성
본 연구에 사용되는 철계 장갑재 4 종의 초기(asreceived) 미세조직을 광학현미경과 주사전자현미경으로 관 찰한 결과를 Fig. 1과 2에 나타내고, JMatPro 7.0 소프 트웨어(Sente Software Ltd.)를 이용하여 계산한 마르텐 사이트 변태 시작 온도(MS)를 Table 1에 정리하였다. 모 든 강들은 급랭 또는 급랭과 템퍼링 처리에 의한 래스 (lath) 형태의 마르텐사이트 또는 템퍼드 마르텐사이트 (tempered martensite) 조직을 나타내었다. A 강은 마르 텐사이트 래스와 패킷(packet)이 상대적으로 큰 반면, C 강은 래스 두께가 다소 미세한 것으로 관찰되었다. A 강 은 낮은 탄소 함량에 의해 MS 온도가 가장 높기 때문 에 래스의 두께가 상대적 큰 반면, C 강은 탄소 함량 이 상대적으로 높아 마르텐사이트 변태가 일어나기 위 한 구동력이 더 크게 필요하여 Ms 온도가 낮기 때문에 래스 두께가 작게 나타난다. 실제로 MS 온도가 높을수 록 마르텐사이트 변태 시 냉각 중에 단열가열 효과가 나 타나 탄소 원자의 확산과 전위 풀림에 영향을 미쳐 래 스 마르텐사이트의 성장에 기여한다고 알려져 있다.10,11)
철계 장갑재 4 종의 상온 인장 시험 결과를 Table 2 에 정리하였다. 그 결과를 보면, 항복 강도, 인장 강도 및 연신율이 모두 해당 강종의 인장 특성 범위를 잘 만 족하였다. 항복 및 인장 강도의 경우 탄소 함량이 높을 수록 값이 대체로 증가되는 경향을 보이는데, 이는 탄 소 함량이 높을수록 고용 강화 효과가 증가하고, 마르 텐사이트 변태 시 전단 변태에 의한 격자 비틀림이 커 서 전위밀도 또한 증가하기 때문이다.10-12)
샤르피 충격 시편의 가공 방향에 따른 저온 및 상온 에서의 충격 흡수에너지를 Fig. 3에 나타내었다. 저온과 상온에서 모두 L-T 방향으로 가공된 시편들이 T-L 방 향으로 가공된 시편들보다 상대적으로 높은 충격 흡수 에너지 값을 나타내었다. 이는 L-T 시편의 경우 압연에 의해 생긴 밴드 구조(band structure)가 충격 시험 시 균 열 진행 방향을 방해하는 쪽으로 배열되어 있는 반면, T-L 시편의 경우 밴드 구조가 균열 진행을 효과적으로 방해하지 못하기 때문이다.12,13) 한편 철계 장갑재 4 종 의 충격 흡수에너지 값은 A 강이 가장 높고 나머지 장 갑재들은 모두 20 J 이하의 낮은 충격 에너지 값을 나 타내었다. 이는 A 강의 경우 낮은 탄소 함량과 급랭 후 템퍼링에 의해 상대적으로 연화된 마르텐사이트 조직을 가지는 반면, 나머지 강들(특히 B 강)은 높은 탄소 함 량으로 인해 급랭 직후 대부분 경한 마르텐사이트 조직 을 갖기 때문이다. 또한 모든 강들은 저온보다 상온에 서 약간 더 높은 충격 흡수에너지 값을 갖는 것을 확 인할 수 있는데, 이는 충격 시험 온도가 낮아짐에 따라 전위 이동에 대한 마찰 저항 값이 증가하게 되어 충격 시험 시 소성변형이 감소하기 때문으로 볼 수 있다.12,13)
Fig. 3.
Charpy absorbed energy tested at (a) room temperature(25 °C) and (b) low temperature(−40 °C) for the as-received A, B, C, and D steels. Solid bar and pattern bar indicate the L-T(longitudinal-transverse) and T-L(transverse-longitudinal) directions of Charpy V-notch specimens, respectively.
충격 흡수에너지 값이 가장 차이 나는 A 강과 B 강 의 파면을 SEM으로 관찰하여 Fig. 4에 나타내었다. A 강과 B 강의 파면 모두 공동(void)의 성장과 합체의 의 해 크고 작은 딤플들(dimples)이 다양하게 형성된 연성 파 괴를 나타내는데 A 강은 B 강에 비해 딤플이 더 크게 관찰되었다. 이는 A 강의 경우 래스나 패킷의 크기가 보 다 크므로 공동이 쉽게 생성될 수 있는 래스나 패킷 사 이의 계면이 상대적으로 작기 때문에 충격 시험에 의한 변형 시 공동의 생성이 어렵기 때문으로 볼 수 있다. 따 라서 A 강은 공동의 소성 변형을 통해 충격 시험 동안 에너지를 충분히 흡수하여 가장 높은 충격 흡수 에너지 를 나타낸다.
3.2 템퍼링 온도에 따른 미세조직과 경도 변화
본 연구에서 조사된 철계 장갑재 4 종의 템퍼링 온도 에 따른 경도 값을 Fig. 5에 나타내었다. 모든 장갑재에 서 템퍼링 온도가 높아질수록 경도가 감소하는 경향을 나타내었다. 이는 오스테나이트화 처리 후 급랭으로 형성 된 높은 전위밀도를 가진 마르텐사이트가 템퍼링 동안 마 르텐사이트 내부의 탄소 확산과 전위 풀림에 의해 전위 밀도가 감소하고, 미세조직이 조대화되기 때문이다.11-14) 한 편 급랭 후 템퍼링에 따른 경도는 A 강이 다른 강들에 비해 가장 낮았다. 일반적으로 탄소 함량이 높을수록 국 부적인 격자 변형이 커져서 전위의 이동을 방해하는 고 용 강화 효과가 증가하는 것으로 알려져 있다.15,16) 따라 서 낮은 탄소 함량을 갖는 A 강은 고용 강화 효과가 적고, 급랭 후 템퍼링에 의해 마르텐사이트의 강도 또한 감소하므로 모든 템퍼링 온도에서 경도가 가장 낮다.17-19) 실제 철계 장갑재 4 종의 초기 경도(점선으로 표시)를 템퍼링 온도에 따른 경도와 비교해 보면(Fig. 5), B 강 은 급랭한 마르텐사이트의 초기 조직에 가깝고, 나머지 강들은 급랭 후 200 °C ~ 300 °C 사이의 온도에서 템퍼 링 처리된 것으로 생각되었다.
Fig. 5.
Brinell hardness plotted as a function of tempering temperature for the A, B, C, and D steels. Dotted lines indicate the hardness of as-received specimens.
철계 장갑재들의 템퍼링에 따른 미세조직적 차이를 확 인하기 위해 급랭 직후의 SEM 사진을 Fig. 6에 나타내 었다. Fig. 2와 비교해보면, B 강을 제외하고 대부분 초 기 미세조직보다 다소 미세한 래스 마르텐사이트가 생 긴 것을 확인할 수 있었다. 이는 초기 미세조직의 경우 급랭 후 템퍼링 처리에 의해 래스 마르텐사이트가 조대 화되기 때문이다. B 강의 경우 급랭 직후와 초기 미세 조직을 비교해 보면(Fig. 2, 6), 탄화물이 존재하지 않고, 비슷한 래스와 패킷 크기의 미세구조를 갖는 것으로 확 인되어 템퍼링없이 급랭한 조직에 가까운 것을 알 수 있 었다. 한편 급랭 후 템퍼링 처리에 의해 제조된 것으로 생각되는 C 강에서 탄화물의 존재를 확인하기 위해 TEM 사진과 EDS 분석결과를 Fig. 7에 나타내었다. 실제로 C 강에서는 많은 탄화물들이 관찰되었는데[Fig. 7(a)], 이는 템퍼링 시 탄소의 확산으로 인해 탄화물이 석출되었기 때문이다.
4 결 론
본 연구에서는 높은 경도를 갖는 대표적인 철계 장갑 재 4 종의 미세조직을 관찰하고, 경도, 인장, 충격 시험 을 실시하여 템퍼링 온도에 따른 미세조직 변화와 기계 적 특성의 상관관계를 고찰하였다. 모든 강들은 템퍼링 온도가 높아질수록 마르텐사이트 내부의 탄소 확산과 전 위 밀도 감소에 의해 경도가 뚜렷하게 감소되는 경향을 나타내었다. 또한 템퍼링 온도에 따른 경도 시험 결과 와 초기 경도의 비교를 통해 B 강은 템퍼링없이 급랭 만으로 제조되고, 나머지 장갑재들은 급랭 후 200 °C ~ 300 °C에서 템퍼링 처리가 된 것으로 생각되었다. 한편 항복 강도와 인장 강도는 비교적 높은 탄소 함량과 급 랭 처리를 통해 얻어진 경한 마르텐사이트를 갖는 B 강 이 가장 높고, C 강과 D 강은 높은 탄소 함량에도 불 구하고 템퍼링에 의한 마르텐사이트 내부의 탄소 확산과 전위 풀림에 의해 상대적으로 낮은 값을 나타내었다. 한 편 충격 흡수에너지는 낮은 탄소 함량과 템퍼링에 의한 마르텐사이트 조직 연화로 A 강이 가장 높고, 마르텐사 이트 강도가 가장 높은 B 강이 가장 낮은 값을 나타내 었다. 또한 C 강과 D 강은 급랭 후 템퍼링에 의해 충 격 흡수에너지 값이 B 강보다 다소 높았다.
